特開 2023-167410 ボイラ及びボイラの保護方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023167410

(43)【公開日】2023-11-24

(54)【発明の名称】ボイラ及びボイラの保護方法

(51)【国際特許分類】

   F22B 37/10 20060101AFI20231116BHJP

   F23G 5/48 20060101ALI20231116BHJP

【ＦＩ】

F22B37/10 602Z

F23G5/48

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022078581

(22)【出願日】2022-05-12

(71)【出願人】

【識別番号】000004123

【氏名又は名称】ＪＦＥエンジニアリング株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110002147

【氏名又は名称】弁理士法人酒井国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】杉本 晃輔

【テーマコード（参考）】

3K065

【Ｆターム（参考）】

3K065AB01

3K065AC01

3K065BA01

(57)【要約】

【課題】ダストがボイラ内に付着することを防ぎボイラを保護する。
【解決手段】廃棄物焼却炉から流通する排ガスの放射熱を受けて蒸気を発生させる伝熱管を備えた放射室、及び、前記排ガスと伝熱管との熱交換により蒸気を過熱する対流伝熱室を備えるボイラであって、交流電圧が印加されることにより気流を発生するプラズマアクチュエータを前記伝熱管の周面に有する。排ガスに含まれるダストはプラズマアクチュエータが発生する気流に沿って流れるため、排ガスに含まれるダストが伝熱管に付着するのを抑え、ダストにより伝熱管が腐食するのを抑えることができる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

廃棄物焼却炉から流通する排ガスの放射熱を受けて蒸気を発生させる伝熱管を備えた放射室、及び、前記排ガスと伝熱管との熱交換により蒸気を過熱する対流伝熱室を備えるボイラであって、
交流電圧が印加されることにより気流を発生するプラズマアクチュエータを前記伝熱管の周面に有する
ボイラ。

【請求項2】

前記放射室及び前記対流伝熱室の内壁に前記プラズマアクチュエータを有する
請求項１に記載のボイラ。

【請求項3】

廃棄物焼却炉から流通する排ガスの放射熱を受けて蒸気を発生させる伝熱管を備えた放射室、及び、前記排ガスと伝熱管との熱交換により蒸気を過熱する対流伝熱室を備えるボイラにおいて、
前記伝熱管の周面に設けられたプラズマアクチュエータに交流電圧を印加して前記周面に沿った気流を誘起する
ボイラの保護方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ボイラ及びボイラの保護方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ごみ焼却炉における発電は、焼却炉でのごみの燃焼から得られる高温の排ガスからボイラにて熱回収を行い、所定の温度・圧力の蒸気を発生させてタービン発電機に導入することにより行われている。ごみ焼却において発生する排ガス中には、塩素、硫黄、重金属類等を含む小粒径のダストが含まれるが、これらがボイラの伝熱管に付着すると付着したダストが断熱材の役割をするので伝熱効率が低下する。

【0003】

ボイラの伝熱管に付着したダストを除去する発明として、例えば特許文献１、２に開示された発明がある。特許文献１に開示された発明は、燃料ガスと酸化剤ガスを高圧化で混合して爆発燃焼させ、伝熱管に付着したダストを爆発燃焼によって生じた圧力波によって除去する。特許文献２に開示された発明は、所定の大きさ未満の灰塊を用いて成型した灰球と、所定の大きさ以上の灰塊とをボイラの水管群に落下させることにより、水管群に付着した灰を除去する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１７－１８１００８号公報

【特許文献2】特開２０１９－１８４１５１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１に開示された発明は、圧力波を発生させるために燃料ガスと酸化剤ガスを消費するためランニングコストがかかる。また、特許文献１に開示された発明は、爆発燃焼を行なうため間欠的にしか駆動することができず、強い衝撃が発生するため作業員の安全を確保する必要がある。特許文献２に開示された発明は、灰塊の選別、灰球の乾燥、灰塊や灰球の搬送の工程を要し、これらの工程に要する設備の費用と運転にコストがかかる。また、特許文献２に開示された発明では、灰球は衝突の衝撃により部品を損傷する虞がある。

【0006】

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ダストがボイラ内に付着することを防ぎボイラを保護することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一側面に係るボイラは、廃棄物焼却炉から流通する排ガスの放射熱を受けて蒸気を発生させる伝熱管を備えた放射室、及び、前記排ガスと伝熱管との熱交換により蒸気を過熱する対流伝熱室を備えるボイラであって、交流電圧が印加されることにより気流を発生するプラズマアクチュエータを前記伝熱管の周面に有する。

【0008】

また、本発明に係るボイラにおいては、前記放射室及び前記対流伝熱室の内壁に前記プラズマアクチュエータを有するようにしてもよい。

【0009】

本発明に係るボイラの保護方法は、廃棄物焼却炉から流通する排ガスの放射熱を受けて蒸気を発生させる伝熱管を備えた放射室、及び、前記排ガスと伝熱管との熱交換により蒸気を過熱する対流伝熱室を備えるボイラにおいて、前記伝熱管の周面に設けられたプラズマアクチュエータに交流電圧を印加して前記周面に沿った気流を誘起する。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、ダストがボイラ内に付着することを防ぎボイラを保護することができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は、本発明の実施形態に係る焼却炉とボイラの構成を示す図である。

【図2】図２は、実施形態に係るボイラの内部を示す図である。

【図3】図３は、実施形態に係るプラズマアクチュエータの斜視図である。

【図4】図４は、図３のＡ－Ａ線断面図である。

【図5】図５は、プラズマアクチュエータの配置の一例を示す図である。

【図6】図６は、プラズマアクチュエータの配置の一例を示す図である。

【図7】図７は、プラズマアクチュエータの変型例を示す図である。

【図8】図８は、プラズマアクチュエータの変型例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下に、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態により本発明が限定されるものではない。また、図面は模式的なものであり、各要素の寸法の関係などは、現実のものとは異なる場合があることに留意する必要がある。

【0013】

［実施形態］
図１は、本発明の実施形態に係る焼却炉１とボイラ２の構成を示す図である。焼却炉１は、例えば廃棄物を焼却する焼却炉である。焼却炉１にはボイラ２が接続されており、焼却炉１で発生した排ガスは、ボイラ２へ流通する。ボイラ２には、排ガスの流れを屈曲させる屈曲部２１と屈曲部２２が設けられている。ボイラ２には、屈曲部２１と屈曲部２２とによって排ガスの流路の上流側から第１放射室１１、第２放射室１２、対流伝熱室１３が形成される。なお、焼却炉１内の廃棄物を燃焼した後に排出される排ガスは、第１放射室１１を下方から上方へ、第２放射室１２を上方から下方へ、対流伝熱室１３を下方から上方へ流れる。

【0014】

図２は、ボイラ２の内部を示す図である。第２放射室１２には、排ガスからの放射熱を受けて蒸気を発生させる伝熱管４０が放射伝熱面として配置されている。対流伝熱室１３には、排ガスの流路の上流側からスクリーン管３２、２次過熱器３４、３次過熱器３６、１次過熱器３８が設けられている。なお、対流伝熱室１３には、必要に応じてエコノマイザを設けてもよい。

【0015】

２次過熱器３４、３次過熱器３６、１次過熱器３８は、それぞれ、水平方向に配列した複数の伝熱管４０を上下方向に多段に設けた伝熱管群を備えている。この伝熱管群は、対流伝熱面を構成しており、第２放射室１２の伝熱管４０で発生した蒸気を排ガスとの熱交換により更に過熱するようにされている。スクリーン管３２には伝熱管４０が設けられている。スクリーン管３２は、対流伝熱室１３に導入される排ガスを冷却し、排ガスに含まれるダスト成分を固体化してダストとして排ガスから分離する。対流伝熱室１３には、図示省略したエコノマイザが接続されており、１次過熱器３８を通過した排ガスはエコノマイザへ流通する。

【0016】

本発明の実施形態においては、スクリーン管３２、２次過熱器３４、３次過熱器３６及び１次過熱器３８の伝熱管４０の外周面にプラズマアクチュエータ１００が設けられている。プラズマアクチュエータ１００は、誘電体バリア放電を用いて雰囲気気体の流れを誘起し、雰囲気気体の流れを制御するデバイスである。

【0017】

図３は、プラズマアクチュエータの斜視図であり、図４は、図３のＡ－Ａ線断面図である。プラズマアクチュエータ１００は、第１電極１０１、第２電極１０２、誘電体層１０３、及び絶縁層１０４を有する。誘電体層１０３は、例えば誘電体セラミックで矩形に形成されている。第１電極１０１及び第２電極１０２は、例えばチタンを白金でコーティングしたチタン電極であり、矩形に形成されている。第１電極１０１は、誘電体層１０３の表面に配置されており、第２電極１０２は、上下方向にみて第１電極１０１と重ならないように誘電体層１０３の裏面に配置されている。第１電極１０１は交流電圧を出力する交流電源２００に接続されている。第２電極１０２は、交流電源２００とグランドＧＮＤに接続されている。絶縁層１０４は、絶縁体で形成されており、誘電体層１０３の裏面と第２電極１０２を覆っている。

【0018】

交流電圧が交流電源２００から第１電極１０１と第２電極１０２へ印加されると、第１電極１０１と誘電体層１０３とに挟まれた部分で放電が生じ、図４に示す矢印の方向へ気体の流れが誘起される。交流電源２００から第１電極１０１及び第２電極１０２に印加される電圧は数ｋＶ、数ｋＨｚである。

【0019】

図５は、プラズマアクチュエータ１００の配置の一例を示す図である。図５においては、伝熱管４０の断面を図示している。プラズマアクチュエータ１００は、例えば図５に示すように伝熱管４０の外周面の下端側で絶縁層１０４が伝熱管４０の外周面に接するように配置される。

【0020】

図５に示す左側のプラズマアクチュエータ１００は、伝熱管４０の周面に沿って右側のプラズマアクチュエータ１００と反対方向へ気流の流れが生じるように配置され、図５に示す右側のプラズマアクチュエータ１００は、伝熱管４０の周面に沿って左側のプラズマアクチュエータ１００と反対方向へ気流の流れが生じるように配置されている。対流伝熱室１３においては、排ガスは下方から上方へ流れるため、排ガスは伝熱管４０の下方から図５に示す太い矢印の方向に流れている。伝熱管４０に至った排ガスは、プラズマアクチュエータ１００によって生じる気流により、伝熱管４０の周面に沿って図５に示す細い矢印の方向に流れる。

【0021】

ここで排ガスに含まれるダストもプラズマアクチュエータ１００が発生する気流に沿って流れるため、排ガスに含まれるダストが伝熱管４０に付着するのを抑えることができる。また、ダストが伝熱管４０に付着するのを抑えることができるため、ダストにより伝熱管４０が腐食するのを抑えることができる。また、ダストが伝熱管４０に付着するのを抑えることができるため、伝熱効率が低下するのを抑えることができる。また、伝熱管４０の表面にプラズマアクチュエータ１００を設置する構成のため、既存のボイラに対しても伝熱管４０からダストを除去した後に後付けでプラズマアクチュエータ１００を容易に設置することができる。また、プラズマアクチュエータ１００は、機械的に可動する構成がなく部品点数も少ないため、導入のコストを抑え、メンテナンスを容易に行うことができる。また、プラズマアクチュエータ１００は、電力の供給のみで伝熱管４０へのダストの付着を抑制できるため、ランニングコストを抑えることができる。

【0022】

［変形例］
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることなく、他の様々な形態で実施可能である。例えば上述の実施形態を以下のように変形して本発明を実施してもよい。なお、上述した実施形態及び以下の変形例は、各々を組み合わせてもよい。上述した各実施形態及び各変形例の構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。また、さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、上記の実施の形態や変形例に限定されるものではなく、様々な変更が可能である。

【0023】

上述した実施形態においては、伝熱管４０の下端側に２つのプラズマアクチュエータ１００が配置されているが、伝熱管４０に配置されるプラズマアクチュエータ１００は、２つに限定されるものではない。例えば図６に示すように、伝熱管４０の周面で上端と下端の間及び上端側にもプラズマアクチュエータ１００を配置してもよい。

【0024】

上述した実施形態においては、プラズマアクチュエータ１００は、１つの第１電極１０１と１つの第２電極１０２とを備える構成であるが、第１電極１０１と第２電極１０２の数は１つに限定されるものではない。図７は、変形例に係るプラズマアクチュエータ１００Ａの断面図である。プラズマアクチュエータ１００Ａにおいては、誘電体層１０３の上面に第１電極１０１と第２電極１０２が所定の間隔で配置されている。また、プラズマアクチュエータ１００Ａにおいては、誘電体層１０３の裏面に第１電極１０１と第２電極１０２が所定の間隔で配置されている。なお、誘電体層１０３の裏面に配置されている第２電極１０２は、上下方向にみて表面の第１電極１０１及び第２電極１０２と重ならないように位置している。また、誘電体層１０３の裏面に配置されている第１電極１０１は、上下方向にみて表面の第２電極１０２と重ならないように配置されている。２つの第１電極１０１は、交流電源２００に接続されている。また、２つの第２電極１０２は、交流電源２００とグランドＧＮＤに接続されている。

【0025】

プラズマアクチュエータ１００Ａによれば、交流電源２００から交流電圧が第１電極１０１と第２電極１０２へ印加されると、表面の第１電極１０１と裏面の第２電極１０２及び表面の第２電極１０２と裏面の第１電極１０１によって、図７に示す矢印の方向へ気体の流れが誘起される。プラズマアクチュエータ１００Ａを伝熱管４０へ配置することにより、伝熱管４０の周囲に気流の流れを発生させ、ダストが伝熱管４０に付着するのを防ぐことができる。なお、プラズマアクチュエータ１００Ａに印加する交流電圧は、直流成分を重畳したものであってもよい。また、プラズマアクチュエータ１００Ａに印加する電圧は、パルス電圧であってもよい。

【0026】

図８は、変形例に係るプラズマアクチュエータ１００Ｂの断面図である。プラズマアクチュエータ１００Ｂにおいては、誘電体層１０３の上面に第１電極１０１と第３電極１０５が所定の間隔で配置されている。また、プラズマアクチュエータ１００Ｂにおいては、誘電体層１０３の裏面に第２電極１０２が配置されている。第３電極１０５は、例えばチタンを白金でコーティングしたチタン電極であり、矩形に形成されている。プラズマアクチュエータ１００Ｂの第１電極１０１は、交流電源２００に接続されている。プラズマアクチュエータ１００Ｂの第２電極１０２は、交流電源２００とグランドＧＮＤに接続されている。第３電極１０５は、直流電圧を印加する直流電源２０１の正極に接続されている。直流電源２０１の負極はグランドＧＮＤに接続されている。プラズマアクチュエータ１００Ｂによれば、交流電源２００から交流電圧が第１電極１０１と第２電極１０２へ印加され、直流電圧が第３電極１０５に印加されると、図８に示す矢印の方向へ気体の流れが誘起される。プラズマアクチュエータ１００Ｂを伝熱管４０へ配置することにより、伝熱管４０の周囲に気流の流れを発生させ、ダストが伝熱管４０に付着するのを防ぐことができる。

【0027】

プラズマアクチュエータ１００、プラズマアクチュエータ１００Ａ、又はプラズマアクチュエータ１００Ｂが配置される位置は、伝熱管４０に限定されるものではない。図２に示す第１放射室１１の内壁１１ａ、第２放射室１２の内壁１２ａ、対流伝熱室１３の内壁１３ａ、及び第２放射室１２に配置された伝熱管４０にもプラズマアクチュエータ１００、プラズマアクチュエータ１００Ａ、又はプラズマアクチュエータ１００Ｂを配置してもよい。

【符号の説明】

【0028】

１ 焼却炉
２ ボイラ
１１ 第１放射室
１１ａ 内壁
１２ 第２放射室
１２ａ 内壁
１３ 対流伝熱室
１３ａ 内壁
２１、２２ 屈曲部
３２ スクリーン管
３４ ２次過熱器
３６ ３次過熱器
３８ １次過熱器
４０ 伝熱管
１００、１００Ａ、１００Ｂ プラズマアクチュエータ
１０１ 第１電極
１０２ 第２電極
１０３ 誘電体層
１０４ 絶縁層
１０５ 第３電極
２００ 交流電源
２０１ 直流電源

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】